ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΑ ΕΝΩΣΗ ΥΠΕΥΘΥΝΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΚΕΝΤΡΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ - «ΠΑΝΕΚΦE» Αθήνα, email: panekfe@yahoo.gr www.ekfe.gr Πανελλήνιος Μαθητικός Διαγωνισμός για την επιλογή ομάδων μαθητών που θα συμμετάσχουν στη 12 η Ευρωπαϊκή Ολυμπιάδα Επιστημών - EUSO 2014 Ε.Κ.Φ.Ε. της Δ.Δ.Ε. ΔΥΤΙΚΗΣ ΘΕΣ/ΝΙΚΗΣ ΕΥΟΣΜΟΥ - ΝΕΑΠΟΛΗΣ Θεματοδότες: Πολυχρόνης Καραγκιοζίδης Γρηγόρης Βογιατζής Α Φάση Τοπικός Διαγωνισμός Σάββατο, 7 Δεκεμβρίου 2013 Μάθημα: Χημεία Διάρκεια: 60 min ΣΧΟΛΕΙΟ: MAΘΗΤΕΣ: 1. 2. 3.
Ι. Το πρόβλημα Το θειοθειικό νάτριο χρησιμοποιείται από το 1839 για την εμφάνιση φωτογραφιών που έχουν αποτυπωθεί σε φωτογραφικό φιλμ, ως στερεωτική ουσία. Έτσι μετά το στάδιο της κυρίως εμφάνισης, ακολουθεί το στάδιο της στερέωσης, όπου ο φωτοευαίσθητος και μη διαλυτός στο νερό αλογονούχος άργυρος (AgX, X=Cl, Br, I), που παραμένει σε περιοχές του φιλμ που δεν προβλήθηκαν από φως ικανής έντασης, θα πρέπει να μετατραπεί σε διαλυτά άλατα αργύρου και με πλύσιμο να απομακρυνθεί. Αν η συγκέντρωση του θειοθειικού νατρίου δεν είναι κατάλληλη, είναι πιθανόν η εμφάνιση της φωτογραφίας τελικά να αποτύχει. Για παράδειγμα, αν η συγκέντρωση είναι πολύ μεγάλη, είναι πιθανό η στερεωτική δράση του θειοθειικού νατρίου να ολοκληρωθεί πολύ σύντομα, ενώ αν είναι πολύ μικρή μπορεί κατά το συνήθως διαθέσιμο χρόνο για στερέωση να μη μετατραπεί σε διαλυτά άλατα αργύρου όλη η «ανεπιθύμητη» ποσότητα αλογονούχου αργύρου με αποτέλεσμα την εμφάνιση αυξημένης συνολικής αμαύρωσης - σκίασης στο φιλμ, γνωστής ως πέπλο. Αν για λόγους απλούστευσης θεωρήσει κανείς ότι μπορεί να αντιστοιχήσει το χρόνο στερέωσης φωτογραφικού φιλμ με το χρόνο της χημικής αντίδρασης θειοθειϊκού νατρίου που περιγράφεται παρακάτω, μπορεί να διατυπωθεί το παρακάτω πρόβλημα. Στο εργαστήριο ενός φωτογράφου βρέθηκε ένα μπουκάλι όγκου 1,5L με διάλυμα θειοθειϊκού νατρίου άγνωστης συγκέντρωσης (διάλυμα Δ1). Να εκτιμήσετε τη σχετική, ως προς αυτό το διάλυμα, συγκέντρωση διαλύματος θειοθειϊκού νατρίου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επιτυχή εμφάνιση φωτογραφιών. ΙΙ. Θεωρητικά δεδομένα Το θειοθειϊκό νάτριο (Na2S2O3) αντιδρά με το υδροχλωρικό οξύ (HCl) σύμφωνα με την αντίδραση: Na2S2O3 + 2HCl 2NaCl + S + SO2 + H2O οπότε παράγεται μεταξύ άλλων και θείο (S), το οποίο μεταβάλλει τη διαφάνεια του τελικού διαλύματος. Καθώς η αντίδραση εξελίσσεται το τελικό διάλυμα γίνεται όλο και λιγότερο διαφανές ώσπου από κάποια στιγμή και μετά καθίσταται αδιαφανές. Έτσι, αν στο δοκιμαστικό σωλήνα, στον οποίο πραγματοποιείται η χημική αντίδραση, έχει σχεδιαστεί, με έναν μαρκαδόρο, κάποιο έντονο σημάδι, αυτό καθίσταται όλο και πιο δύσκολα ορατό, διαμέσου του διαλύματος, καθώς η αντίδραση εξελίσσεται, μέχρι που κάποια στιγμή θα εξαφανιστεί. Ο χρόνος εξαφάνισης του σημαδιού είναι αντιστρόφως ανάλογος της ταχύτητας της χημικής αντίδρασης, η οποία με τη σειρά της εξαρτάται από τη συγκέντρωση του θειοθειικού νατρίου. Έτσι, ένα μέτρο της ταχύτητας αντίδρασης μπορεί να θεωρηθεί το αντίστροφο του χρόνου εξαφάνισης του σημαδιού. Στο πλαίσιο αυτό δίνεται ότι η ταχύτητα της παραπάνω χημικής αντίδρασης, η οποία σχετίζεται με τη συγκέντρωση του διαλύματος του θειοθειϊκού νατρίου που απαιτείται για την επιτυχή εμφάνιση φωτογραφιών, είναι ίση με 0,018 s -1. ΙΙΙ. Εργαστηριακό μέρος Διαθέσιμα όργανα 1) 3 μεγάλοι δοκιμαστικοί σωλήνες. 2) 3 βαθμολογημένοι, ανά 5 ml, μικροί δοκιμαστικοί σωλήνες
3) Βάση στήριξης των δοκιμαστικών σωλήνων 4) Χρονόμετρο (ρολόι τοίχου με δυνατότητα μέτρησης δευτερολέπτων) 5) Ένας μαρκαδόρος Διαθέσιμα αντιδραστήρια 1) 45 ml διαλύματος Na2S2O3.5H2O άγνωστης συγκέντρωσης (διάλυμα Δ1) 2) 15 ml διαλύματος HCl άγνωστης συγκέντρωσης 3) 60 ml νερό Προσοχή! Το διάλυμα υδροχλωρικού οξέος να μην έρθει σε επαφή με το δέρμα ή τα ρούχα σας. Αν όμως παρ ελπίδα συμβεί κάτι τέτοιο, θα πρέπει να πλυθείτε με άφθονο νερό. Υπενθυμίζεται ότι στο εργαστήριο πρέπει να φοράτε προστατευτικά γυαλιά και λευκό επενδύτη που θα σας δοθούν. Πειραματικές διαδικασίες 1. Σας διατίθενται τα παραπάνω αντιδραστήρια στις συγκεκριμένες και μόνο ποσότητες. Με κατάλληλη αραίωση του διαλύματος θειοθειϊκού νατρίου Δ1 που έχετε, θέλετε να παρασκευάσετε τρία (3) διαλύματα θειοθειϊκού νατρίου Δ2, Δ3, Δ4, διαφορετικής συγκέντρωσης. Κάθε ένα από τα διαλύματα Δ2, Δ3 και Δ4 θέλετε να έχει όγκο 35 ml. Με δεδομένες τις ποσότητες των αντιδραστηρίων και τη βαθμολόγηση των δοκιμαστικών σωλήνων που διαθέτετε, όπου η πρώτη κόκκινη διαγράμμιση αντιστοιχεί σε όγκο 5 ml και η δεύτερη σε συνολικό όγκο 10 ml, να επιλέξετε τους όγκους του διαλύματος Δ1 και του νερού που θα χρησιμοποιήσετε και να συμπληρώσετε κατάλληλα τις δύο πρώτες κενές στήλες του Πίνακα 1. Μην παρασκευάσετε ακόμη τα διαλύματα αυτά! (15 μονάδες) Αν η συγκέντρωση του διαλύματος Δ1 είναι C και η συγκέντρωση των διαλυμάτων Δ2, Δ3 και Δ4 είναι για παράδειγμα 0,5C, 0,3C και 0,1C, αντίστοιχα, η σχετική συγκέντρωση των διαλυμάτων Δ2, Δ3 και Δ4 ως προς τη συγκέντρωση C του διαλύματος Δ1 είναι 0,5, 0,3 και 0,1, αντίστοιχα. Με τον τρόπο αυτό υπολογίστε τη σχετική συγκέντρωση των διαλυμάτων Δ2, Δ3 και Δ4, όπως σχεδιάσατε να τα παρασκευάσετε, ως κλάσμα της C και συμπληρώσετε την τρίτη κενή στήλη του Πίνακα 1. (10 μονάδες). 2. Σημειώστε με το μαρκαδόρο ένα έντονο σημάδι σε κάθε έναν από τους τρεις δοκιμαστικούς σωλήνες που διαθέτετε, σε ύψος 3-4 cm από τον πυθμένα τους. Σημειώστε επίσης με το μαρκαδόρο : «Δ2» στο δοκιμαστικό σωλήνα που θα τοποθετείστε το διάλυμα 2 και αντίστοιχα Δ3 και Δ4 για τους άλλους δύο δοκιμαστικούς σωλήνες. 3. Χρησιμοποιείστε τα διαθέσιμα όργανα και αντιδραστήρια για να παρασκευάστε το διάλυμα Δ2 και προσθέστε, σύντομα, σε αυτό 5 ml διαλύματος υδροχλωρικού οξέος. Ανακινήστε για μερικά δευτερόλεπτα προσεκτικά το σωλήνα. Ξεκινήστε, αμέσως μετά τη ρίψη του διαλύματος υδροχλωρικού οξέος, να χρονομετρείτε. Παρατηρείτε διαρκώς το έντονο σημάδι που σχεδιάσατε στο σωλήνα, διαμέσου του διαλύματος. Ολοκληρώστε τη χρονομέτρηση μόλις το διάλυμα γίνει τόσο αδιαφανές, ώστε το έντονο σημάδι να είναι πλέον αόρατο. Καταγράψτε τη μέτρησή σας στην τέταρτη κενή στήλη του Πίνακα 1. (10 μονάδες)
Πίνακας 1 Όνομα Διαλύματος Όγκος του διαλύματος Δ1 που θα χρησιμοποιήσετε (ml) Όγκος νερού που θα χρησιμοποιήσετε (ml) Σχετική συγκέντρωση διαλύματος (σε μονάδες της συγκέντρωσης C του διαλύματος Δ1) Χρόνος εξαφάνισης του σημαδιού (s) Ταχύτητα αντίδρασης (s -1 ) Δ2 Δ3 Δ4 4. Επαναλάβετε τη διαδικασία του παραπάνω βήματος 3 για τα διαλύματα Δ3 και Δ4 (10 + 10 μονάδες) Επεξεργασία δεδομένων 1. Να υπολογίσετε για τα τρία διαλύματα Δ2, Δ3, Δ4 το αντίστροφο του χρόνου εξαφάνισης του σημαδιού με ακρίβεια χιλιοστού και να μεταφέρετε τα αποτελέσματά σας στην πέμπτη κενή στήλη του Πίνακα 1. (5 μονάδες) 2. Στο παρακάτω τμήμα της επόμενης σελίδας με διαγράμμιση μιλλιμετρέ να χαράξετε διάγραμμα ταχύτητας σχετικής συγκέντρωσης με πειραματικά σημεία που αντιστοιχούν στα αποτελέσματά σας. Πώς σχετίζονται τα δύο μεγέθη μεταξύ τους; (10 + 5 μονάδες) 3. Να αξιοποιήσετε τη γραφική παράσταση που φτιάξατε για να εκτιμήσετε τη σχετική συγκέντρωση διαλύματος θειοθειϊκού νατρίου κατάλληλου για την επιτυχή εμφάνιση φωτογραφιών. Να δικαιολογήσετε την απάντησή σας. (10 μονάδες)
Διάγραμμα ταχύτητας αντίδρασης σχετικής συγκέντρωσης διαλύματος Na 2 S 2 O 3 4. Να ξεπλύνετε καλά τους δοκιμαστικούς σωλήνες που χρησιμοποιήσατε και να τους αφήσετε καθαρούς και έτοιμους προς χρήση για τις επόμενες ομάδες. (5 μονάδες) Σημείωση Το σύνολο των μονάδων που αναγράφονται είναι ενενήντα (90). Οι δέκα (10) μονάδες που υπολείπονται μέχρι το εκατό (100), που είναι η άριστη βαθμολογία, αφορούν σε εκτίμηση, εκ μέρους των εξεταστών, διάφορων πειραματικών ικανοτήτων οι οποίες θα εκτιμηθούν κατά την εκτέλεση της εργαστηριακής άσκησης.